科研人员利用对称性破缺实现偶极里德堡原子的量子调控

由于本身具有大的诱导电偶极矩，里德堡原子间存在强的偶极相互作用，这一特性在量子计算和量子信息处理方面有重要应用前景。但又由于原子量子亏损的存在，除氢原子外的所有原子在低态的诱导电偶极矩都是随外电场而变化的，导致非氢原子在外电场中的能级呈抗交叉结构。诱导的电偶极矩不但大小随外电场而变化，偶极矩的方向也随外电场而不停翻转，使偶极原子的量子态操控变得极其困难。 

近日，中国科学院武汉物理与数学研究所研究员刘红平和清华大学物理系教授尤力展开合作研究，提出了一种利用对称性破缺动态保全原子诱导电偶极矩方向的方案。通常情况下，原子抗交叉能级间的能隙比较大，对应的非绝热 Landau-Zener 隧穿时间非常短，在原子的外场操控过程中量子态依然遵循绝热演化规律，原子的电偶极矩无法保持固定方向，不利于原子间的偶极动力学操控。如果对电场中的原子再施加一个垂直磁场，原子原有的对称性就会被破坏掉，原子的抗交叉程度也随之显著地弱化，使得在较慢的外场操控时间内原子依然能从一个偶极状态隧穿到具有同样偶极极性的量子态，从而在相互作用调控前后保持原子的偶极极性不变。基于武汉物数所良好的交叉场实验平台，研究团队在实验上观测到了这一对称性破缺增强的 Landau-Zener 隧穿效应。对称性破缺导致描述原子的基矢空间剧增，研究团队提出了一种局域化的动力学研究方法，很好地复现了动力学物理图像和实验过程。

相关研究成果发表在 Physical Review Letter 上。该研究得到了国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金的资助。

图1.红态钠原子在交叉场中的动力学时间特征明显不同于纯电场

图2.采用局域化动力学研究方法计算的原子在不同外场情形时的 LZT 动力学演化过程

来源：中国科学院武汉物理与数学研究所